0 引言
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/78246.htm由於鉛酸蓄電池維護簡單、價格低廉、供電可靠、使用壽命長，廣泛作為汽車、飛機、輪船等機動車輛或發電機組的啟動電源，也在各類需要不間斷供電的電子設備和可攜式儀器儀表中用作一些電器及控制迴路的工作電源。隨著經濟的發展，大容量蓄電池的應用迅速增加，人們希望能快捷、安全地對蓄電池進行充電，而現有市場銷售的充電器充電電流多為20A。為了滿足人們對大功率充電器的需求，設計了一款基於LPC933 充電電流50A、充電功率740W、功能完善、可擴充的智能充電器。
1 充電器原理與設計
1.1 總體硬體設計
由於充電對象是鉛酸蓄電池，設計中採用電流、電壓負反饋的方法來達到恆流、恆壓充電的目的，並對充電過程各種工作參量進行實時監測及智能多段式充電策略的精確控制，應用了LPC933單片機及相應的控制電路。充電器硬體原理圖如圖1 所示。
圖1 充電器原理圖
充電器電路主要包括主電路、信號控制兩部分。主電路部分由橋式整流、PWM波形產生和直流濾波等組成。單相電源為220 V交流電時，開關K1閉和，單相電源為110 V時，開關K1斷開，經全橋整流為300 V左
右的直流電，由大電容進行低頻濾波穩壓，圓只MOS 器件S1、S2 組成半橋逆變器。PWM波形產生部分由SG3525根據反饋電壓產生，通過給MOS 管S1、S2 加高頻方波控制信號，使S1和S2 周期性地導通，可得到脈寬可調的高頻交流電，經高頻變壓器耦合到副邊，再經整流管D2和D3整流，L1 和C4濾波，在輸出側得到低紋波直流電壓。顯示模塊是用來顯示電池的當前電壓與充電電流，顯示狀態由面板上實現按鈕啟動。
1.2 電路功能設計與分析
1.2.1 PWM 寬度設置
脈寬調製控制電路採用開關電源專用集成晶片SG3525，SG3525有兩路驅動輸出，OUT-A 與OUT-B 反向輸出，可設置死區時間。控制過程主要是移動調節導通的佔空比來調節輸出功率。移相PWM的相移控制是通過誤差放大器來實現的，誤差放大器的同相端E/A+（腳2）接由單片機控制輸出的電壓信號。反相端E/A-（腳1）接主電路輸出電流或電壓的反饋信號，電流和電壓負反饋信號之間的切換由肖特基二極體D1 的導通截止實現。反饋信號和標準電位比較，差值經放大輸出，送至移相脈寬控制器，控制OUT-A與OUT-B 之間的相位，最終調整波形佔空比，使電壓和充電電流穩定在預定值上。
1.2.2 電流採樣
電流採樣是大電流充電器的關鍵技術之一。通常採用電阻採樣，但在50A 以上的大電流電路中是難於適用的。為此，設計了在高頻變壓器的初級線圈處增加環形電流互感器，匝數比為1：50，不僅達到精確電流採樣的作用，還使採樣功耗控制在0.5W以內。
1.2.3 限流保護措施
正常情況下，開關電源應工作在額定輸出功率範圍之內，避免電源工作在超出正常輸出狀態，但在實際工作中很難預測，故電路將高頻變壓器輸出的電流經電流互感器耦合輸出，再經二極體整流，電容濾波及電阻分壓後，與比較器的同相端電壓進行比較，當輸出電壓過高時，SG3525停止輸出方波驅動信號，從而保護電路。
1.2.4 散熱問題
研發初期發現，逆變器主要部件兩個大功率開關管S1 和S2 及直流輸出部分的全波整流管D2和D3，在充電電流大於30粵時出現過熱問題，無法滿足老化要求。經過硬體反覆調試發現，從以下幾個方面可以有效解決過熱的問題。
（1）增加交流共模濾波電感，調試發現電網的高頻幹擾信號是造成逆變器開關管溫升異常的重要原因；
（2）在直流輸出端，增加濾波電感後，發現有效地減輕了開關管和全波整流管的負荷；
（3）增加散熱面積。使開關管金屬面通過導熱膠片壓在金屬外殼上；
（4）風冷。
經過以上4 個方面的改進，測試證明充電電流達到60粵時能持續工作4h 以上，完全滿足老化的設計要求。
2 充電控制技術
2.1 充電算法
充電控制技術是智能充電器系統中軟體設計的核心部分。根據充電電池的原理，同種工藝的電池理想的充電曲線大致相似，而具體的電壓數值有所差別的特點，應用信息技術進行控制，可達到最佳充電效果。為實現大電流充電，又要保護電池，蓄電池採用圖2 所示的充電方式，充電階段可以分成4 個階段。
圖2 充電曲線圖
2.1.1 涓流短時充電
充電器開始工作後，首先檢測蓄電池的電池電壓，若電池電壓低於9.5V，充電器不工作。若電池電壓大於怨.5V而小於10.5V，說明蓄電池曾經過度放電，為避免對蓄電池充電電流過大，造成熱失控，微處理器通過監測蓄電池的電壓，對蓄電池實行穩定小電流涓流充電，激活蓄電池。在涓流充電階段，電池電壓開始上升，當電池電壓上升到能接受大電流充電的閾值時，則轉入恆流充電階段。
2.1.2 恆流充電
該階段為大電流恆流充電，電流值為I2 ，因蓄電池容量而異，一般為I2 越0.1C（C 為蓄電池組的容量），持續時間為T2，在恆流充電狀態下，不斷檢測電池端電壓，當電池電壓達到飽和電壓時，恆流充電狀態終止。
2.1.3 恆壓充電
該階段為恆壓充電，電壓值為14.7V，它是蓄電池節數與蓄電池溫度的函數，這時充電電流逐漸減小，恆壓充電時，保持充電電壓不變。充電電流不斷下降，當充電電流下降到恆流狀態下充電電流的1/10 時，終止恆壓充電。
2.1.4浮充電
該階段主要用來補充蓄電池自放電所消耗的能量，電池電壓達到13.8V時，此時標誌著充電過程結束。
2.2 充電終止控制
電池在充滿電後，如果不及時停止充電，電池的溫度將迅速上升。溫度的升高將加速蓄電池板柵腐蝕速度及電解液的分解，從而縮短電池壽命、容量下降。為了保證電池充足電又不過充電，採用具有定時控制、溫度控制和電池電壓、電流控制功能的綜合控制法。
3 軟體設計
因為不同種類的電池有不同的充電特性，所以充電器要能根據具體電池的類型，控制不同的充電狀態。在充電的關鍵階段採用了模糊控制方法，這些通過程序控制實現。充電主程序流程圖如圖猿所示。程序具體實現過程為：單片機首先進行初始化，然後對蓄電池的電壓進行測量，產生電壓偏差和變化率信號，偏差及變化率信號進入模糊控制器後，經過模糊處理，輸出電流信息，從而適時和正確地控制充電方式和過程。參照充電曲線圖（圖2），在充電過程中不斷檢測電池是否充滿，當檢測己經充滿時，提示用戶電池已充足，充電器自動進入浮充維護狀態。若在充/供電過程時出現故障，LPC933 微控制器會及時停止輸出並報故障。模糊處理和終止條件的判決為整個智能充電器的關鍵，關係著充電器性能的好壞。
圖3 充電主程序流程圖
4 充電器的硬體設計特點
根據生產商的銷售市場主要面對歐美市場同時兼顧國內的特點，硬體設計採用跳線的方式使產品可以適應110~220災的電源和12~36V的電池。110/220V的交換開關K1（如圖1所示），可以實現110V的倍壓整流和220V的全波整流的切換。
直流輸出電路有可擴展埠，可以通過串、並聯的方式，生產出不同規格的充電器。可控的充電電流，通過調節可調電阻RW1（如圖1 所示），調高或降低負反饋的電壓值，可以實現充電電流在園耀50 A範圍內的任意設定。
5 結語
隨著信息產業的迅猛發展以及行動電話、可攜式計算機、電動自行車等高附加值產品的普及，越來越多的產品需要充電的同時，也要求儘可能地延長電池的壽命。Power Smart公司根據多次試驗結果得出結論：若採用合適的充電方式，電池的使用壽命大約可提高30%。大量的實驗表明：採用以LPC933 和SG3525 為核心的控制電路設計的智能充電器，能夠實現對鉛酸電池進行大電流的充電，並能夠根據充電過程自動調整控制參數以及故障自診斷，可以實現充電過程的無人值守，延長電池的使用壽命。這種技術推廣到市場，必將佔有一定的市場份額，從而帶來的社會效益和經濟效益。
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